Russian Journal of Infection and Immunity

Инфекция и иммунитет

2220-76192313-7398

SPb RAACI

740

10.15789/2220-7619-2018-2-211-218

ORIGINAL ARTICLES

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

THE ROLE OF ARGININE DEIMINASE FROM STREPTOCOCCUS PYOGENES IN INHIBITION MACROPHAGES NITROGEN MONOXIDE (NO) SYNTHESIS

РОЛЬ АРГИНИНДЕИМИНАЗЫ ПИОГЕННОГО СТРЕПТОКОККА В ПОДАВЛЕНИИ СИНТЕЗА МОНООКСИДА АЗОТА (NO) МАКРОФАГАМИ

Starikova

E. A.

Старикова

Э. А.

Russian Federation

PhD (Biology), Senior Researcher, Department of Immunology, Institute of Experimental Medicine, St. Petersburg, Russian Federation

197376, Russian Federation, St. Petersburg, Akademika Pavlova str., 12

Phone: +7 (812) 234-16-69 (office). Fax: +7 (812) 234-94-89

к.б.н., старший научный сотрудник отдела иммунологии ФГБНУ Институт экспериментальной медицины, Санкт-Петербург, Россия

197376, Россия, Санкт-Петербург, ул. Академика Павлова, 12

Тел.: 8 (812) 234-16-69 (служебн.). Факс: 8 (812) 234-94-89

Starickova@yandex.ru

Sokolov

A. V.

Соколов

А. В.

Russian Federation

PhD, MD (Biology), Head of the Laboratory of Biochemical Genetics, Department of Molecular Genetics, Institute of Experimental Medicine, St. Petersburg, Russian Federation; Professor of the Department of Fundamental Problems of Medicine and Medical Technologies, St. Petersburg State University, St. Petersburg, Russian Federation

д.б.н., зав. лабораторией биохимической генетики отдела молекулярной генетики ФГБНУ Институт экспериментальной медицины, Санкт-Петербург, Россия;профессор кафедры фундаментальных проблем медицины и медицинских технологий Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербург, Россия

Burova

L. A.

Бурова

Л. А.

Russian Federation

PhD, MD (Medicine), Leading Researcher, Department of Molecular Genetics, Institute of Experimental Medicine, St. Petersburg, Russian Federation

д.м.н., ведущий научный сотрудник отдела иммунологии ФГБНУ Институт экспериментальной медицины, Санкт-Петербург, Россия

Golovin

A. S.

Головин

А. С.

Russian Federation

PhD Student, Department of Immunology, Institute of Experimental Medicine, St. Petersburg, Russian Federation

аспирант отдела иммунологии ФГБНУ Институт экспериментальной медицины, Санкт-Петербург, Россия

Lebedeva

A. M.

Лебедева

А. М.

Russian Federation

PhD (Biology), Researcher, Department of Immunology, Institute of Experimental Medicine, St. Petersburg, Russian Federation

к.б.н., научный сотрудник отдела иммунологии ФГБНУ Институт экспериментальной медицины, Санкт-Петербург, Россия

Vasilyev

V. B.

Васильев

В. Б.

Russian Federation

PhD, MD (Medicine), Head of the Department of Molecular Genetics, Institute of Experimental Medicine, St. Petersburg, Russian Federation; Professor of the Department of Fundamental Problems of Medicine and Medical Technologies, St. Petersburg State University, St. Petersburg, Russian Federation

д.м.н., зав. отделом молекулярной генетики ФГБНУ Институт экспериментальной медицины, Санкт-Петербург, Россия; профессор кафедры фундаментальных проблем медицины и медицинских технологий Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербург, Россия

Freidlin

I. S.

Фрейдлин

И. С.

Russian Federation

PhD, MD (Medicine), Professor, RAS Corresponding Member, Main Researcher, Department of Immunology, Institute of Experimental Medicine, St. Petersburg, Russian Federation; Professor of the Department of Fundamental Problems of Medicine and Medical Technologies, St. Petersburg State University, St. Petersburg, Russian Federation

д.м.н., профессор, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник отдела иммунологии ФГБНУ Институт экспериментальной медицины, Санкт-Петербург, Россия; профессор кафедры фундаментальных проблем медицины и медицинских технологий Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербург, Россия

Institute of Experimental MedicineФГБНУ Институт экспериментальной медицины

Institute of Experimental MedicineФГБНУ Институт экспериментальной медицины Санкт-Петербургский государственный университет

Institute of Experimental Medicine St. Petersburg State UniversityФГБНУ Институт экспериментальной медицины Санкт-Петербургский государственный университет

10092018

2112181009201810092018

2018

Starikova E.A., Sokolov A.V., Burova L.A., Golovin A.S., Lebedeva A.M., Vasilyev V.B., Freidlin I.S.

Старикова Э.А., Соколов А.В., Бурова Л.А., Головин А.С., Лебедева А.М., Васильев В.Б., Фрейдлин И.С.

https://creativecommons.org/licenses/by/4.0

https://iimmun.ru/iimm/article/view/740

The protective role of macrophages closely related to the production of bactericidal molecules, in which nitrogen monoxide (NO) play an important role. Arginine serves as a substrate for inducible NO synthase (iNOS) in course of NO production. Expression and activity of iNOS are regulated by the availability of the substrate (arginine) in the intercellular space. The bacterial enzyme arginine deiminase also uses arginine as a substrate, causing its deficiency for host cells. The aim of this study was to confirm the possible role of arginine deiminase from S. pyogenes in inhibiting NO synthesis by macrophages. For this purpose, a comparative study was made of the effect on the synthesis of NO by macrophages of the products of destruction of two strains: the initial S. pyogenes M49-16 and the isogenic mutant S. pyogenes M49-16 delArcA with the inactivated arginine deiminase gene (arcA). It has been shown that the ability of S. pyogenes M49-16 to inhibit production of NO by macrophages depends on its arginine deiminase activity because the isogenous mutant of S. pyogenes M49-16 delArcA with the inactivated gene arcA has lost its ability to inhibit NO synthesis. This allows us to consider the effects of S. pyogenes M49-16 as effects of arginine deiminase. An analysis of the inhibitory mechanisms of the enzyme showed that suppression of NO synthesis was not associated with the effect of destruction products of S. pyogenes M49-16 on the viability of macrophages. According to data of flow cytometry, incubation of cells in the presence of S. pyogenes destruction products of the original and mutant strains did not affect the level of iNOS expression, i.e. did not alter synthesis or stability of this enzyme. At the same time, the decrease in NO production under the influence of the original S. pyogenes strain M49-16 correlated with a decrease in the content of arginine in the culture medium. When exogenous arginine to the culture medium was added, the effect of the original strain of the suppression of NO production was declined. This confirms that the depletion of arginine is the main mechanism of the inhibitory effect of arginine deiminase on the production of NO by macrophages. The deficiency of NO production in the course of streptococcal infection can lead to a weakening of bactericidal activity of macrophages and to a decrease in the effectiveness of antimicrobial protection.

Защитная роль макрофагов тесно связана с продукцией этими клетками бактерицидных молекул, в ряду которых важное место занимает монооксид азота (NO). Аргинин служит субстратом для продукции NO при участии фермента индуцибельной NO синтазы (iNOS). Экспрессия и активность iNOS регулируются доступностью субстрата (аргинина) в межклеточном пространстве. Бактериальный фермент аргининдеиминаза также использует аргинин в качестве субстрата, вызывая его дефицит для клеток организма хозяина. Целью настоящего исследования стало подтверждение возможной роли аргининдеиминазы S. pyogenes в ингибировании синтеза NO макрофагами. Для этого проводили сравнительное изучение влияния на синтез NO макрофагами продуктов разрушения двух штаммов: исходного S. pyogenes М49-16 и мутантного S. pyogenes M49-16 delArcA с инактивированным геном аргинидеиминазы (arcA). Было показано, что способность S. pyogenes M49-16 ингибировать продукцию макрофагами NO зависит от его аргининдеиминазной активности так как изогенный мутант S. pyogenes M49-16 delArcA с инактивированным геном arcA утратил способность ингибировать синтез NO. Это позволяет рассматривать изученные нами эффекты S. pyogenes как эффекты аргининдеиминазы. Анализ механизмов ингибирующего действия фермента, показал, что подавление синтеза NO не было связано с влиянием продуктов разрушения S. pyogenes на жизнеспособность макрофагов. По данным проточной цитометрии, инкубация клеток в присутствии продуктов разруше- ния S. pyogenes исходного и мутантного штаммов не изменяла уровень экспрессии iNOS, то есть не влияла на синтез или стабильность этого фермента. При этом, снижение продукции NO под влиянием исходного штамма S. pyogenes М49-16 коррелировало со снижением содержания в культуральной среде аргинина. А при добавлении в среду экзогенного аргинина, подавляющее продукцию NO действие исходного штамма нивелировалось. Это подтверждает, что основным механизмом ингибирующего действия аргининдеиминазы на продукцию NO макрофагами является истощение запасов аргинина. Недостаток продукции NO при стрептококковой инфекции может приводить к ослаблению бактерицидности макрофагов и к снижению эффективности противомикробной защиты.

S. pyogenesmacrophagesarginine deiminaseNOiNOS

S. pyogenesмакрофагиаргининдеиминазаNOiNOS.

1. Головин А.С., Старикова Э.А., Фрейдлин И.С. Влияние аргининдеиминазы Streptococus pyogenes на бактерицидную активность макрофагов // Медицинский академический журнал. 2016. Т. 16, № 4. С. 152. [Golovin A.S., Starikova E.A., Freidlin I.S. Effect of arginine deiminase from Streptococcus pyogenes on the bactericidal activity of macrophages. Meditsinskii akademicheskii zhurnal = Medical Aсademical Journal, 2016, vol. 16, no. 4, p. 152. (In Russ.)]

2. Старикова Э.А., Карасева А.Б., Бурова Л.А., Суворов А.Н., Соколов А.В., Васильев В.Б., Фрейдлин И.С. Роль аргининдеиминазы Streptococcus pyogenes M49-16 в ингибиции пролиферации эндотелиальных клеток человека линии EA.hy926 // Медицинская иммунология. 2016. Т. 18, № 6. C. 559–566. [Starikova E.A., Karaseva A.B., Burova L.A., Suvorov A.N., Sokolov A.V., Vasilyev V.B., Freidlin I.S. A role of arginine deiminase from streptococcus pyogenes M49-16 in promoting infection and inhibition of endothelial cell proliferation. Meditsinskaya immunologiya = Medical Immunology (Russia), 2016, vol. 18, no. 6, pp. 555–562. doi: 10.15789/1563-0625-2016-6-555-562 (In Russ.)]

3. Abdelal A.T. Arginine catabolism by microorganisms. Annual Rev. Microbiol., 1979, vol. 33, no. 1, pp. 139–168. doi: 10.1146/annurev.mi.33.100179.001035

4. Barnett T.C., Liebl D., Seymour L.M., Gillen Ch.M., Lim J.Y., LaRock Ch.N., Davies M.R., Schulz B.L., Nizet V., Teasdale R.V., Walker M.J. The globally disseminated M1T1 clone of group A streptococcus evades autophagy for intracellular replication. Cell Host Microbe, 2013, vol. 14, iss. 6, pp. 675–682. doi: 10.1016/j.chom.2013.11.003

5. Basma H., Norrby-Teglund A., Guedez Y., McGeer A., Low D.E., El-Ahmedy O., Schwartz B., Kotb M. Risk factors in the pathogenesis of invasive group A streptococcal infections: role of protective humoral immunity. Infect. Immun., 1999, vol. 67, no. 4, pp. 1871–1877.

6. Bastiat-Sempe B., Love J.F., Lomayesva N., Wessels M.R. Streptolysin O and NAD-glycohydrolase prevent phagolysosome acidification and promote group A Streptococcus survival in macrophages. MBio, 2014, vol. 5, no. 5, pp. 1–11. doi: 10.1128/mBio.01690-14

7. Bronte V., Zanovello P. Regulation of immune responses by L-arginine metabolism. Nat. Rev. Immunol., 2005, vol. 5, pp. 641–654. doi: 10.1038/nri1668

8. Cotter P.D., Hill C. Surviving the acid test: responses of gram-positive bacteria to low pH. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 2003, vol. 67, no. 3, pp. 429–453. doi: 10.1128/MMBR.67.3.429-453.2003

9. Cusumano Z.T., Watson M.E., Caparon M.G. Streptococcus pyogenes arginine and citrulline catabolism promotes infection and modulates innate immunity. Infect. Immun., 2014, vol. 82, no. 1, pp. 233–242. doi: 10.1128/IAI.00916-13

10.

10. Das P., Lahiri A., Chakravortty D. Modulation of the arginase pathway in the context of microbial pathogenesis: a metabolic enzyme moonlighting as an immune modulator. PLoS Pathog., 2010, vol. 6, iss. 6: e1000899. doi: 10.1371/journal.ppat.1000899

11.

11. Goldmann O., von Kockritz-Blickwede M., Holtje C., Chhatwal G.S., Geffers R., Medina E. Transcriptome analysis of murine macrophages in response to infection with streptococcus pyogenes reveals an unusual activation program. Infect. Immun., 2007, vol. 75, no. 8, pp. 4148–4157. doi: 10.1128/IAI.00181-07

12.

12. Goldmann O., Rohde M., Chhatwal G.S., Medina E. Role of macrophages in host resistance to group a streptococci. Infect. Immun., 2004, vol. 72, no. 5, pp. 2956–2963. doi: 10.1128/IAI.72.5.2956-2963.2004

13.

13. Lin A.E., Beasley F.C., Keller N., Hollands A., Urbano R., Troemel E.R., Hoffman H.M., Nizet V. A group A Streptococcus ADP-ribosyltransferase toxin stimulates a protective interleukin 1β-dependent macrophage immune response. MBio, 2015, vol. 6, no. 2, pp. 1–12. doi: 10.1128/mBio.00133-15

14.

14. Lu S.-L., Kuo C.-F., Chen H.-W., Yang Y.-S., Liu C.-C., Anderson R., Wu J.-J., Lin Y.-S. Insufficient acidification of autophagosomes facilitates group a streptococcus survival and growth in endothelial cells. MBio, 2015, vol. 6, no. 5, pp. 1–12. doi: 10.1128/mBio.01435-15

15.

15. Mishalian I., Ordan M., Peled A., Maly A., Eichenbaum M.B., Ravins M., Aychek T., Jung S., Hanski E. Recruited macrophages control dissemination of group A Streptococcus from infected soft tissues. J. Immunol., 2011, vol. 187, iss. 11, pp. 6022–6031. doi: 10.4049/jimmunol.1101385

16.

16. Mori M. Regulation of nitric oxide synthesis and apoptosis by arginase and arginine recycling. J. Nutr., 2007, vol. 137, iss. 6, pp. 1616S–1620S.

17.

17. Nathan C., Shiloh M.U. Reactive oxygen and nitrogen intermediates in the relationship between mammalian hosts and microbial pathogens. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2000, vol. 97, no. 16, pp. 8841–8848. doi: 10.1073/pnas.97.16.8841

18.

18. Noh E.J., Kang S.W., Shin Y.J., Kim D.C., Park I.S., Kim M.Y., Chun B.G., Min B.H. Characterization of mycoplasma arginine deiminase expressed in E. coli and its inhibitory regulation of nitric oxide synthesis. Mol. Cells, 2002, vol. 13, no. 1, pp. 137–143.

19.

19. O’Neill A.M., Thurston T.L.M., Holden D.W. Cytosolic replication of group A streptococcus in human macrophages. MBio, 2016, vol. 7, no. 2, pp. 1–16. doi: 10.1128/mBio.00020-16

20.

20. Pautz A., Art J., Hahn S., Nowag S., Voss C., Kleinert H. Regulation of the expression of inducible nitric oxide synthase. Nitric Oxide, 2010, vol. 23, no. 2, pp. 75–93. doi: 10.1016/j.niox.2010.04.007

21.

21. Sakurai A., Maruyama F., Funao J., Nozawa T., Aikawa Ch., Okahashi N., Shintani S., Hamada Sh., Ooshima T., Nakagawa I. Specific behavior of intracellular streptococcus pyogenes that has undergone autophagic degradation is associated with bacterial streptolysin O and host small G proteins Rab5 and Rab7. J. Biol. Chem., 2010, vol. 285, no. 29, pp. 22666–22675. doi: 10.1074/jbc.M109.100131

22.

22. Shen L-J., Lin W.C., Beloussow K., Hosoya K., Terasaki T., Ann D.K., Shen W.C. Recombinant arginine deiminase as a differential modulator of inducible (iNOS) and endothelial (eNOS) nitric oxide synthetase activity in cultured endothelial cells. Biochem. Pharmacol., 2003, vol. 66, no. 10, pp. 1945–1952. doi: 10.1016/S0006-2952(03)00555-0

23.

23. Timmer A.M., Timmer J.C., Pence M.A., Hsu L.-C., Ghochani M., Frey T.G., Karin M., Salvesen G.S., Nizet V. Streptolysin O promotes group A streptococcus immune evasion by accelerated macrophage apoptosis. J. Biol. Chem., 2009, vol. 284, no. 2, pp. 862–871. doi: 10.1074/jbc.M804632200

24.

24. Wang H., Liang X.H., Zhao R.X., Feng L.D., Li H. Spectrophotometer determination of arginine in grape juice using 8-hydroquinoline. Agr. Sci. China, 2008, vol. 7, no. 10, pp. 1210–1215. doi: 10.1016/S1671-2927(08)60166-2